DE102017123332A1

DE102017123332A1 - Elektromaschine mit segmentiertem Stator und Elektromaschinensystem

Info

Publication number: DE102017123332A1
Application number: DE102017123332.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Plikat; Zdeno Neuschl; Sebastian SCHULTE
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-10-09
Filing date: 2017-10-09
Publication date: 2019-04-11
Also published as: CN109638988A; CN109638988B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine (1) mit einem Stator (2) und einem relativ zum Stator (2) um eine Rotationsachse (R) rotierbaren Rotor (3), wobei der Stator (2) eine Statorinnenseite (4) mit einer konkaven Hüllfläche und der Rotor (3) eine Rotoraußenseite (5) mit einer konvexen Hüllfläche aufweist, wobei die Statorinnenseite (4) der Rotoraußenseite (5) zugewandt und dieser benachbart angeordnet ist. Der Stator(2) weist in einem sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckenden ersten Statorabschnitt (S1) in Umfangsrichtung (U) des Stators (2) mindestens eine derart ausgebildete erste Unterbrechung (6) auf, dass die Statorinnenseite (4) des Stators (2) im ersten Statorabschnitt (S1) die Rotoraußenseite (5) des Rotors (3) in Umfangsrichtung (U) nur teilweise umgibt. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektromaschinensystem (13) mit einer ersten Elektromaschine (1) und einer mit der ersten Elektromaschine (1) drehmomentübertragend gekoppelten Zusatzvorrichtung (14).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektromaschine mit einem Stator und einem relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektromaschinensystem mit einer ersten Elektromaschine und einer mit der ersten Elektromaschine gekoppelten Zusatzvorrichtung.
Elektromaschinen sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und finden auf einer Vielzahl unterschiedlichen Gebieten der Technik Anwendung. Im Automobilbau werden elektrische Maschinen beispielsweise zum Starten sowie Unterstützen eines Verbrennungsmotors, Antreiben eines Kraftfahrzeugs und zum Generieren von elektrischem Strom eingesetzt. Elektromaschinen für Antriebsstränge von Kraftfahrzeugen sind zumeist als rotierende Elektromaschinen ausgebildet. Eine weit verbreitete Bauart von rotierenden Elektromaschinen weist einen fest stehenden Teil, welcher auch als Stator bzw. Ständer bezeichnet wird, und einem beweglichen bzw. rotierbarenden Teil, welcher auch als Rotor oder Läufer bezeichnet wird. Herkömmliche Statoren weisen ein Joch aus einem magnetisch leitfähigen Material, insbesondere Eisen, mit Wicklungen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer, auf. Die Wicklungen weisen einen oder mehrere Drähte auf, welche nach außen isoliert sind, um hierdurch einen Stromfluss über Kontaktstellen benachbarter Drähte zu vermeiden. Ferner weisen solche Statoren oftmals ein Gehäuse zum Abschirmen der Elektromaschine vor äußeren Einflüssen sowie zum Befestigen der Elektromaschine an einer Einbaustelle auf. Bei einigen Elektromaschinen, insbesondere bei Elektromaschinen mit einer verhältnismäßig großen Leistung und einer damit verbundenen hohen Wärmeentwicklung, kann der Stator eine Kühlvorrichtung bzw. eine Kühlstruktur aufweisen. Eine solche Kühlstruktur kann einen oder mehrere Kühlkanäle zum Durchleiten eines Kühlfluids und/oder eine oder mehrere Kühlrippen aufweisen. Ein herkömmlicher Rotor weist ebenfalls ein Joch aus Eisen oder einem anderen magnetisch leitfähigen Material auf. An dem Joch des Rotors können ebenfalls Wicklungen aus Kupferdraht und/oder ein Alukäfig und/oder ein Kupferkäfig und/oder Permanentmagnete angeordnet sein. Der Rotor ist zumeist mittels einer Presspassung oder eines Formschlusses mit einer Welle verbunden, welche als Antriebswelle aus dem Gehäuse geführt wird. Der Rotor ist relativ zum Stator um eine Rotationsachse drehbar gelagert. Der Stator ist beispielsweise an einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs fixierbar, während der Rotor insbesondere mit einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zur Übertragung eines Drehmoments mechanisch koppelbar ist.
Rotierende Elektromaschinen für Antriebssysteme von Kraftfahrzeugen sind oftmals symmetrisch aufgebaut. Hierbei ist der Rotor in der Regel zylinderförmig oder zumindest im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet. Über den Rotor sind Drehmoment und Drehzahl auf der Antriebswelle der Elektromaschine bereitstellbar. Diese sind über ein Zusammenspiel von Rotor und Stator durch magnetische Wechselwirkungen unterschiedlicher Magnetfelder erzeugbar. Um möglichst vorteilhafte Kräfte zwischen Rotor und Stator zu erzeugen weist der Stator eine Statorinnenseite auf, die mit einer Rotoraußenseite korrespondiert, insbesondere unter Ausbildung eines Spalts zwischen Rotor und Stator mit zumeist konstanter Spaltbreite. In alternativen Bauformen kann die Spaltbreite auch gezielt nicht konstant ausgebildet sein.
Für die Verwendung und den Einbau von Elektromaschinen in Kraftfahrzeugen müssen die Elektromaschinen eine Vielzahl von Voraussetzungen erfolgen. Zunächst müssen bewegliche Teile, wie z. B. der Rotor, der Elektromaschine nach vorgegebenen Regeln gelagert werden. Ein von der Elektromaschine zu erzeugendes bzw. aufzunehmendes Drehmoment muss ausreichend abgestützt werden. Die Elektromaschine muss ein vorgegebenes Drehmoment sowie eine vorgegebene Leistung bereitstellen. Ein Bauvolumen herkömmlicher Elektromaschinen ist proportional zum Drehmoment und der Leistung. Schließlich müssen Elektromaschinen ein vorgegebenes Verhältnis zwischen Durchmesser und Länge aufweisen, welches ebenfalls mit der Leistung und dem Drehmoment korreliert. Somit ist die geometrische Ausbildung einer Elektromaschine von der bereitzustellenden Leistung und dem bereitzustellenden Drehmoment stark abhängig. Um die Einhaltung von Bauraumvorgaben zu verbessern, werden Getriebe verwendet, welche mit den Elektromaschinen mechanisch sowie drehmomentübertragend gekoppelt werden.
Mittels eines Getriebes können die Drehzahl und das Drehmoment der Elektromaschine gewandelt werden. Wenn beispielsweise ein hohes Drehmoment gefordert ist, wäre eine Elektromaschine mit einem besonders großen Durchmesser erforderlich. Für den Fall, dass ein Bauraum aufgrund einer vorgegebenen Karosserie und vorgegebenen Komponenten in zumindest einer Dimension begrenzt ist, lässt sich eine solche Elektromaschine mit einem derartigen Durchmesser nicht immer verbauen. Gleichwohl kann der Bauraum in einer anderen Dimension wesentlich größer sein, so dass ausreichend Platz für eine besonders lange Elektromaschine zur Verfügung steht. In diesem Beispiel wäre der vorhandene Bauraum also für den Einsatz einer Elektromaschine mit einem relativ geringen Durchmesser und somit einem relativ geringen Drehmoment in Kombination mit einem Getriebe, welches zum Übersetzen des Drehmoments der Elektromaschine in das geforderte Drehmoment ausgebildet ist, geeignet. Die Verwendung eines Getriebes ermöglicht somit eine erhöhte Flexibilität bei der Auslegung bzw. Dimensionierung eines elektrischen Antriebs bei einem Kraftfahrzeug.
Komplexere Antriebsstrangtopologien führen zu einer ständigen Reduzierung des für elektrische Antriebe verfügbaren Bauraums. Bisweilen kann der verfügbare Bauraum auch eine asymmetrische Gestalt aufweisen, sodass bei Verwendung einer symmetrisch bzw. im Wesentlichen symmetrisch aufgebauten Elektromaschine der vorhandene Bauraum unter Umständen nicht effizient genutzt werden kann.
Aus der DE 103 55 267 A1 ist eine Elektromaschine bekannt, welche einen asymmetrisch ausgebildeten Stator aufweist, welcher einen Rotor vollumfänglich umgibt. Durch das Einsparen von Statorwicklungen an einigen Bereichen des Stators weist dieser reduzierte äußere Abmessungen auf. Die EP 2 541 740 A1 offenbart eine Elektromaschine mit einem Rotor und einen den Rotor umfassenden Stator, wobei an dem Stator mehrere Abschirmungssegmente angeordnet sind. Die aus dem Stand der Technik bekannten Elektromaschinen haben den Nachteil, dass diese bei besonders begrenzten Bauräumen aufgrund zu großer Abmessungen nicht einsetzbar sind. Ferner kann ein Drehmoment ausschließlich an Endabschnitten des Rotors abgegriffen werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Elektromaschine sowie einem Elektromaschinensystem zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Elektromaschine und ein Elektromaschinensystem zu schaffen, welche auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Einbaubarkeit bei stark begrenzten Bauräumen aufweisen.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Elektromaschinensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektromaschinensystem und jeweils umgekehrt, so dass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine mit einem Stator und einem relativ zum Stator um eine Rotationsachse rotierbaren Rotor gelöst. Der Stator weist eine Statorinnenseite mit einer konkaven Hüllfläche und der Rotor eine Rotoraußenseite mit einer konvexen Hüllfläche auf. Die Statorinnenseite ist der Rotoraußenseite zugewandt und dieser benachbart angeordnet. Erfindungsgemäß weist der Stator in einem sich entlang der Rotationsachse erstreckenden ersten Statorabschnitt in Umfangsrichtung des Stators mindestens eine derart ausgebildete erste Unterbrechung auf. Überdies umgibt die Statorinnenseite des Stators im ersten Statorabschnitt die Rotoraußenseite des Rotors in Umfangsrichtung nur teilweise.
Der Rotor ist vorzugsweise um die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildet, wie z. B. zylinderförmig oder zumindest abschnittsweise zylinderförmig mit unterschiedlichen Durchmessern. Somit ist die Rotoraußenseite konvex bzw. zumindest im Wesentlichen konvex ausgebildet. Der Rotor weist vorzugsweise ein magnetisch leitfähiges Joch, insbesondere ein Eisenjoch, mit Wicklungen, insbesondere Kupferwicklungen, und/oder einen Käfig, insbesondere einen Kupferkäfig und/oder einen Alukäfig, und/oder Permanentmagnete sowie eine Antriebswelle auf. Das Joch, die Wicklungen, der Käfig und die Permanentmagnete sind vorzugsweise gleichmäßig bzw. symmetrisch über die Antriebswelle des Rotors verteilt, es ist aber auch eine ungleichmäßige Verteilung möglich. Der Rotor ist vorzugsweise über mindestens zwei Lager relativ zum Stator um die Rotationsachse drehbar gelagert. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rotor einen inneren Hohlraum aufweist, welcher sich entlang der Rotationsachse erstreckt. Die Elektromaschine weist einen Rotorrückschluss zum Führen des magnetischen Flusses auf, welcher zwischen den Permanentmagneten bzw. Wicklungen des Rotors und der Rotationsachse angeordnet ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rotorrückschluss als Teil des Rotors ausgebildet ist.
Der Stator weist einen Statorgrundkörper auf, welcher vorzugsweise als magnetisch leitfähiges Joch, insbesondere Eisenjoch, ausgebildet ist, auf welchem Wicklungen, insbesondere Kupferwicklungen, angeordnet sind. Zudem ist zumindest ein Teilbereich des Stators als Statorrückschluss zum Führen des magnetischen Flusses ausgebildet. Der Statorrückschluss ist vorzugsweise einteilig mit einem Statorgrundkörper des Stators ausgebildet. Vorzugsweise weist der Stator ein Statorgehäuse auf. Weiter bevorzugt ist der Rotor über die mindestens zwei Lager am Statorgehäuse drehbar gelagert. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Stator eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Elektromaschine aufweist. Die Kühlvorrichtung weist vorzugsweise einen oder mehrere Kühlfluidkanäle zum Durchleiten eines Kühlfluids auf. Weiter bevorzugt weist die Kühlvorrichtung und/oder das Statorgehäuse eine oder mehrere Kühlrippen auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlvorrichtung als Teil des Statorgehäuses ausgebildet ist. Die Statorinnenseite weist eine Form auf, welche vorzugsweise mit einer Form der Rotoraußenseite korrespondiert bzw. zumindest abschnittsweise korrespondiert. Rotor und Stator sind vorzugsweise derart relativ zueinander angeordnet, dass ein Spalt zwischen Statorinnenseite und Rotoraußenseite konstant sowie zumindest im Wesentlichen bzw. zumindest abschnittsweise konstant ist. Erfindungsgemäß kann der Spalt in den überdeckten Bereichen auch variabel bzw. nicht konstant ausgebildet sein.
Der Stator weist einen ersten Statorabschnitt auf, welcher sich entlang der Rotationsachse erstreckt. Im ersten Statorabschnitt weist der Stator in Umfangsrichtung mindestens eine erste Unterbrechung auf. In diesem Bereich der ersten Unterbrechung ist der Rotor nach außen nicht vom Stator abgedeckt und somit offen sichtbar bzw. von außen frei zugänglich. Außerhalb der Unterbrechung ist der Rotor in radialer Richtung vom Stator abgedeckt und weist vorzugsweise einen konstanten bzw. zumindest im Wesentlichen konstanten Spalt zum Stator auf. Mit anderen Worten ist der Stator im ersten Statorabschnitt als mindestens ein Statorsegment ausgebildet, wobei das Statorsegment den Rotor nicht über 360° umschließt. Eine bevorzugte Erstreckung der Unterbrechung beträgt beispielsweise zwischen 110° und 40°, weiter bevorzugt zwischen 100° und 65° und besonders bevorzugt um die 90°.
Eine erfindungsgemäße Elektromaschine hat gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Elektromaschine bereitstellbar ist, welche zumindest abschnittsweise reduzierte äußere Abmessungen aufweist und somit für den Einbau in ein Kraftfahrzeug bei reduziertem und/oder asymmetrischem Bauraum besonders geeignet ist. Diese reduzierten äußeren Abmessungen resultieren aus der ersten Unterbrechung bzw. den ersten Unterbrechungen. Der Bereich der ersten Unterbrechung kann auch als statorfreier Bereich bezeichnet werden, da in der ersten Unterbrechung kein Statorjoch, keine Statorwicklungen und vorzugsweise kein Statorgehäuse und weiter bevorzugt keine Kühlvorrichtung des Stators angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektromaschine besteht in dem im ersten Statorabschnitt zumindest teilweise freigelegten Rotor. Dieser ist somit im ersten Statorabschnitt beispielsweise von außen sichtbar bzw. frei zugänglich.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Elektromaschine vorgesehen sein, dass der Stator im ersten Statorabschnitt in Umfangsrichtung mindestens zwei erste Unterbrechungen aufweist. Die zwei ersten Unterbrechungen sind vorzugsweise voneinander beabstandet. Somit weist der Stator im ersten Statorabschnitt mindestens zwei Statorsegmente auf, welche durch die zwei ersten Unterbrechungen voneinander separiert sind. Vorzugsweise sind die Statorsegmente gleich groß ausgebildet und weisen weiter bevorzugt die gleiche Form auf. Es kann erfindungsgemäß eine nahezu beliebige Zahl von ersten Unterbrechungen und somit von Statorsegmenten vorgesehen sein. Mehrere erste Unterbrechungen haben den Vorteil, dass eine elektromagnetische Unwucht beim Betrieb der Elektromaschine auf diese Weise vermeidbar oder zumindest reduzierbar ist.
Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Stator im ersten Statorabschnitt in Umfangsrichtung um mindestens eine sich entlang der Rotationsachse erstreckende Symmetrieebene symmetrisch ausgebildet ist. Die Symmetrie des Stators ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Elektromaschine im Betrieb eine möglichst geringe elektromagnetische Unwucht aufweist, indem sich magnetische Kräfte zwischen Rotor und Stator, welche Biegemomente auf den Rotor ausüben, einander in Bezug auf das Biegemoment kompensieren bzw. zumindest im Wesentlichen kompensieren.
Ferner kann bei einer erfindungsgemäßen Elektromaschine vorgesehen sein, dass sich der erste Statorabschnitt entlang der Rotationsachse nur über einen Teil des Stators erstreckt, wobei der Stator mindestens einen sich entlang der Rotationsache erstreckenden, zum ersten Statorabschnitt unterschiedlichen zweiten Statorabschnitt aufweist, welcher in Umfangsrichtung des Stators mindestens eine derart ausgebildete zweite Unterbrechung aufweist, dass die Statorinnenseite des Stators im zweiten Statorabschnitt die Rotoraußenseite des Rotors in Umfangsrichtung nur teilweise umgibt. Vorzugsweise ist die zweite Unterbrechung in Richtung der Rotationsachse nicht fluchtend zur ersten Unterbrechung ausgebildet. Der erste Statorabschnitt und der zweite Statorabschnitt können direkt aneinander angrenzend oder voneinander beabstandet, insbesondere durch einen dritten Statorabschnitt, angeordnet sein. Erfindungsgemäß können mehrere zweite Statorabschnitte vorgesehen sein. Ein zweiter Statorabschnitt hat den Vorteil, dass elektromagnetische Unwuchten hierdurch besser ausgleichbar sind. Überdies kann durch den zweiten Statorabschnitt ein Zusammenhalt der einzelnen Statorsegmente des Stators hergestellt bzw. verbessert werden. Ferner kann die Elektromaschine hierdurch eine äußere Form aufweisen, welche zum Einbau in speziell ausgebildeten Bauräumen, insbesondere mit variablen Durchmessern, unregelmäßigen Verengungen und dergleichen, geeignet ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich der erste Statorabschnitt entlang der Rotationsachse nur über einen Teil des Stators, wobei der Stator mindestens einen sich entlang der Rotationsachse erstreckenden, zum ersten Statorabschnitt unterschiedlichen dritten Statorabschnitt aufweist, wobei die Statorinnenseite des Stators im dritten Statorabschnitt die Rotoraußenseite des Rotors in Umfangsrichtung vollständig umgibt. Demnach kann der Stator im dritten Statorabschnitt beispielsweise gemäß einem herkömmlichen Stator ausgebildet sein. Ein dritter Statorabschnitt hat den Vorteil, dass der Rotor im dritten Statorabschnitt vor äußeren Einflüssen durch den Stator geschützt ist. Ferner können über den dritten Statorabschnitt Statorsegmente eines benachbarten ersten Statorabschnitts bzw. eines benachbarten zweiten Statorabschnitts miteinander verbunden werden, um einen Zusammenhalt der einzelnen Statorsegmente des Stators herzustellen bzw. zu verbessern. Schließlich hat ein dritter Statorabschnitt den Vorteil, dass ein von der Elektromaschine erzeugbares Drehmoment hierdurch vergrößerbar ist.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass sich der erste Statorabschnitt über den kompletten Stator erstreckt. Eine Elektromaschine mit einem solchen Stator weist einen besonders einfachen bzw. wenig komplexen Aufbau auf und ist daher leicht herstellbar sowie am Kraftfahrzeug montierbar.
Weiter bevorzugt weist die Rotoraußenseite im ersten Statorabschnitt eine Verzahnung oder ein Zahnrad auf, welche zum mechanischen Koppeln mit einer externen Welle, einem externen Zahnrad oder einer externen Elektromaschine ausgebildet ist. Die Verzahnung kann beispielsweise direkt in der Antriebswelle des Rotors ausgebildet sein. Alternativ kann ein Zahnrad auf der Antriebswelle angeordnet sein, insbesondere angeschweißt, aufgepresst, mittels einer Passfeder gesichert oder dergleichen. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Elektromaschine derart ausgebildet, dass über die Verzahnung im ersten Statorabschnitt eine mechanische Kopplung mit einer Verzahnung eines ersten Statorabschnitts einer externen erfindungsgemäßen Elektromaschine herstellbar ist. Hierbei ist es bevorzugt, dass ein zweiter Statorabschnitt und/oder dritter Statorabschnitt derart ausgebildet und angeordnet ist, dass durch die mechanische Anbindung im ersten Statorabschnitt auf den Rotor eingebrachte Kräfte und/oder Momente kompensierbar bzw. zumindest teilweise kompensierbar sind. Eine Verzahnung bzw. ein Zahnrad haben den Vorteil, dass eine mechanische Anbindung an externe mechanische Komponenten eines mechanischen Systems, wie z. B. eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, leicht sowie platzsparend möglich ist.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektromaschine ist die Rotoraußenseite im ersten Statorabschnitt als Lauffläche für ein Band und/oder eine Kette zur mechanischen Kopplung mit einer externen Welle, einem Kettenrad bzw. einem Ritzel, einer externen Riemenscheibe oder einer externen Elektromaschine ausgebildet. Dabei ist es bevorzugt, dass ein Spalt zwischen Rotor und Stator im ersten Statorabschnitt eine ausreichende Breite aufweist, um eine Kollision des Bands oder der Kette mit dem Stator im Betrieb der Elektromaschine zu vermeiden. Das Band und die Kette sind vorzugsweise nicht magnetisch, um den Betrieb der Elektromaschine nicht zu behindern. Eine derartige Rotoraußenseite im ersten Statorabschnitt hat den Vorteil, dass die Elektromaschine kostengünstig sowie mit einfachen Mitteln besonders leicht an ein mechanisches System, wie z. B. einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, einem Nebenantrieb oder dergleichen anbindbar ist.
Es ist bevorzugt, dass die Elektromaschine im ersten Statorabschnitt nach außen derart geöffnet ist, dass der Rotor im Bereich der ersten Unterbrechung zum mechanischen und/oder elektromagnetischen Koppeln mit mindestens einer weiteren Elektromaschine von außen zugänglich ist. Unter einer elektromagnetischen Kopplung wird im Rahmen der Erfindung eine Kopplung von zwei Elektromaschinen verstanden, bei der Reluktanzeffekte durch elektromagnetische Wechselwirkungen der Rotoren der Elektromaschinen auftreten. Vorzugsweise weist ein Statorgehäuse der Elektromaschine mindestens eine Zentriervorrichtung auf, um eine Ausrichtung mechanischer Komponenten an der Elektromaschine während der Montage zu verbessern. Erfindungsgemäß sind auf diese Weise auch mehrere Elektromaschinen miteinander mechanisch bzw. elektromagnetisch koppelbar. Eine solche Elektromaschine ist für den Einsatz in einem Elektromaschinensystem aufgrund einer guten Koppelbarkeit sowie Montierbarkeit besonders vorteilhaft.
Weiter bevorzugt weist der Rotor einen sich entlang der Rotationsachse erstreckenden Hohlraum auf, wobei in dem Hohlraum ein Rotorkern angeordnet ist, wobei der Rotor relativ zum Rotorkern um die Rotationsachse rotierbar ist, und wobei der Rotorkern im Bereich des ersten Statorabschnitts eine vierte Unterbrechung aufweist. Der Hohlraum erstreckt sich vorzugsweise über die Rotorlänge des Rotors oder zumindest über einen wesentlichen Teil der Rotorlänge Vorzugsweise ist zwischen dem Rotor und dem Rotorkern ein Luftspalt ausgebildet, um ein Schleifen des Rotors auf dem Rotorkern zu vermeiden. Der Rotorkern ist zumindest teilweise als Rotorrückschluss zum Führen eines magnetischen Flusses der Elektromaschine ausgebildet. Der Rotorrückschluss ist vorzugsweise gemäß einem Elektroblech ausgebildet. Der Rotorkern erstreckt sich vorzugsweise parallel zur Rotationsachse und vorzugsweise über die Hohlraumlänge des Hohlraums oder zumindest im Wesentlichen über die Hohlraumlänge. Vorzugsweise weist der Rotorrückschluss Eisen auf oder ist aus Eisen gebildet. Ein derartiger Rotorkern hat den Vorteil, dass eine Rotormasse des Rotors sowie eine Gesamtmasse der Elektromaschine reduziert sind. Somit sind Herstellungskosten der Elektromaschine reduzierbar und ein Einsatzgebiet der Elektromaschine erweiterbar.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rotorkern an dem Stator und/oder einem Gehäuse der Elektromaschine drehfest gehalten ist. Der Rotorkern kann beispielsweise am Stator bzw. Statorgrundkörper fixiert oder mit diesem einteilig ausgebildet sein. Ein relativ zum Stator drehfest gehaltener Rotor hat den Vorteil, dass eine relative Lage der vierten Unterbrechung zur ersten Unterbrechung stets konstant gehalten ist.
Vorzugsweise weist die vierte Unterbrechung einen Öffnungswinkel auf, welcher einem Öffnungswinkel der ersten Unterbrechung in der Größe und/oder Lage entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht. Vorzugsweise entsprechen sich die Öffnungswinkel in Größe und Lage. Der Öffnungswinkel einer Unterbrechung wird durch zwei Geraden bestimmt, welche sich radial von der Rotationsachse nach außen erstrecken und die Unterbrechung in Umfangsrichtung seitlich begrenzen. Unter einer gleichen Größe wird erfindungsgemäß ein gleicher Betrag der Öffnungswinkel verstanden. Unter einer gleichen Lage wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Öffnungswinkel eine gemeinsame Winkelhalbierende aufweisen. Eine derartige vierte Unterbrechung hat den Vorteil, dass ein Materialaufwand des Rotorkerns weiter reduzierbar ist, Hierdurch können das Gesamtgewicht der Elektromaschine sowie die Herstellungskosten weiter reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Elektromaschine ist der Rotor über eine Lagerung an dem Rotorkern drehbar abgestützt. Die Lagerung weist beispielsweise ein oder mehrere Wälzlager, wie z. B. Nadellager, Rillenkugellager, Zylinderrollenlager oder dergleichen, auf. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rotor und/oder der Rotorkern für die Anordnung der Lager mindestens eine Aussparung und/oder mindestens einen Absatz aufweisen. Eine Lagerung des Rotors auf dem Rotorkern hat den Vorteil, dass die Elektromaschine besonders kompakt und gewichtssparend ausgebildet sein kann.
Vorzugsweise ist der Rotorkern als Hohlkörper ausgebildet. Ein Hohlkörper weist beispielsweise eine innere Kavität auf. Demnach ist die Kavität vorzugsweise im Bereich der Rotationsachse ausgebildet. Weiter bevorzugt weist der Rotorkern eine Wandstärke auf, welche einer Dicke des erforderlichen Rotorrückschlusses entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht bzw. geringfügig größer ist. Der Rotorkern weist somit vorzugsweise einen c-förmigen Querschnitt auf. Ein als Hohlkörper ausgebildeter Rotorkern hat den Vorteil, dass das Gesamtgewicht der Elektromaschine hiermit weiter reduzierbar ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Elektromaschinensystem mit einer ersten Elektromaschine und einer mit der ersten Elektromaschine drehmomentübertragend gekoppelten Zusatzvorrichtung gelöst. Erfindungsgemäß ist die erste Elektromaschine gemäß einer erfindungsgemäßen Elektromaschine ausgebildet, wobei die Zusatzvorrichtung als Zahnrad, Riemenscheibe, Kettenrad oder zweite Elektromaschine ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die zweite Elektromaschine ebenfalls gemäß einer erfindungsgemäßen Elektromaschine ausgebildet.
Bei dem beschriebenen Elektromaschinensystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Elektromaschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Elektromaschinensystem gegenüber herkömmlichen Elektromaschinensystemen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Elektromaschinensystem bereitstellbar ist, welches zumindest abschnittsweise reduzierte äußere Abmessungen aufweist und somit für den Einbau in ein Kraftfahrzeug bei reduziertem und/oder asymmetrischem Bauraum besonders geeignet ist. Diese reduzierten äußeren Abmessungen resultieren aus der ersten Unterbrechung bzw. den ersten Unterbrechungen mindestens einer Elektromaschine des Elektromaschinensystems. Der Bereich der ersten Unterbrechung kann auch als statorfreier Bereich bezeichnet werden, da in der ersten Unterbrechung kein Statorjoch, keine Statorwicklungen und vorzugsweise kein Statorgehäuse und weiter bevorzugt keine Kühlvorrichtung des Stators angeordnet sind. Durch den im ersten Statorabschnitt zumindest teilweise freigelegten Rotor, welcher somit im ersten Statorabschnitt beispielsweise von außen sichtbar bzw. frei zugänglich ist, ist das Elektromaschinensystem mit einfachen Mitteln sowie besonders leicht zusammensetzbar.
Eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Elektromaschinensystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 in einer Schnittdarstellung ein erster Abschnitt einer bevorzugten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine,
2a in einer Schnittdarstellung ein erster Abschnitt einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine,
2b in einer Schnittdarstellung ein zweiter Abschnitt der bevorzugten zweiten Ausführungsform aus 2,
3 in eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems,
4 in eine bevorzugte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems,
5 in eine bevorzugte dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems,
6 in eine bevorzugte vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems,
7 in einer Seitenansicht ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Elektromaschinensystem, und
8 in einer Schnittdarstellung ein erster Abschnitt einer bevorzugten dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 8 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein erster Abschnitt einer bevorzugten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 1 schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Elektromaschine 1 weist einen Stator 2 mit einer konkav gewölbten Statorinnenfläche 4 auf. Der Stator weist eine Vielzahl von Nuten 17 auf, welche regelmäßig über den Stator 2 verteilt sind. An den Nuten 17 sind nicht abgebildete Statorwicklungen angeordnet. Eine Außenseite des Stators 2 weist einen Kühlmantel 16 zum Kühlen der Elektromaschine 1 auf. In dem hier dargestellten ersten Abschnitt ist ein erster Statorabschnitt S1 des Stators 2 ausgebildet. Im ersten Statorabschnitt S2 weist der Stator 2 in Umfangsrichtung U eine erste Unterbrechung 6 auf, welche radial über eine komplette Dicke des Stators ausgebildet ist. Die erste Unterbrechung 6 beträgt in diesem Beispiel etwa 90°. Das bedeutet, dass die Elektromaschine 1 im Bereich der ersten Unterbrechung 6 keinen Stator 2 aufweist. Entlang einer Rotationsachse R der Elektromaschine 1 verläuft ein Rotor 3 der Elektromaschine mit einer Rotoraußenseite 5. Der Rotor 3 ist rotationssymmetrisch bzw. im Wesentlichen rotationssymmetrisch zur Rotationsachse R ausgebildet. Der Rotor 3 ist in zwei entgegengesetzte Drehrichtungen D relativ zum Stator 2 drehbar gelagert. Die Statorinnenseite 4 ist der Rotoraußenseite 6 unter Ausbildung eines konstanten bzw. im Wesentlichen konstanten Spalts benachbart angeordnet. Durch die Ausbildung des Stators 2 ist der Rotor 3 über die erste Unterbrechung 6 von außen zugänglich.
2a und 2b zeigen einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 1 schematisch in einer Schnittdarstellung. In 2a ist ein erster Statorabschnitt S1 des Stators 2 abgebildet, während 2b einen zweiten Statorabschnitt S2 zeigt. In diesem Beispiel weist der Stator im ersten Statorabschnitt S1 eine erste Unterbrechung 6 und eine zweite Unterbrechung 7 auf, welche auf entgegengesetzten Seiten des Stators 2 ausgebildet sind. Der Stator 2 weist demnach im ersten Statorabschnitt S1 zwei Statorsegmente auf. Im zweiten Statorabschnitt S2 weist der Stator 2 eine erste Unterbrechung 6, eine zweite Unterbrechung 7 sowie eine dritte Unterbrechung 18 auf, welche gleichmäßig in Umfangsrichtung U verteilt ausgebildet sind. Der Stator 2 weist demnach im zweiten Statorabschnitt S2 drei Statorsegmente auf. In beiden Abschnitten ist der Stator um mindestens eine Symmetrieachse E symmetrisch ausgebildet.
In 3 ist eine bevorzugte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems 13 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Elektromaschinensystem 13 weist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 und eine Zusatzvorrichtung 14 auf, welche als erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 ausgebildet ist. Die Elektromaschinen 1 sind derart zueinander angeordnet, dass die ersten Unterbrechungen 6 der Elektromaschinen 1 einander überlappen. Auf diese Weise sind die zwei Elektromaschinen 1 elektromagnetisch miteinander gekoppelt. Somit ist es möglich, künstliche Reluktanzeffekte durch Interaktion der zwei Elektromaschinen 1 zu erzeugen.
4 zeigt schematisch in einer Schnittdarstellung eine bevorzugte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems 13. Das Elektromaschinensystem 13 weist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 und eine Zusatzvorrichtung 14 auf, welche als erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 ausgebildet ist. Die Rotoren 3 der Elektromaschinen 1 weisen jeweils eine Verzahnung 8 mit dem gleichen Modul auf und sind derart zueinander angeordnet, dass die ersten Unterbrechungen 6 der Elektromaschinen 1 einander überlappen und die Verzahnungen 8 miteinander im Eingriff stehen und somit miteinander kämmen können. Auf diese Weise sind die zwei Elektromaschinen 1 mechanisch miteinander gekoppelt.
In 5 ist eine bevorzugte dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems 13 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Das Elektromaschinensystem 13 weist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 und einer Zusatzvorrichtung 14 auf, welche als Welle 9 mit einem daran angeordneten Zahnrad 15 ausgebildet ist. Der Rotor 3 der Elektromaschine 1 weist eine Verzahnung 8 mit dem gleichen Modul einer Verzahnung 8 des Zahnrads 15 auf. Die Zusatzvorrichtung 14 ist derart an der Elektromaschine 1 angeordnet, dass die Verzahnungen 8 des Zahnrads 15 und des Rotors 3 miteinander im Eingriff stehen und somit miteinander kämmen können. Auf diese Weise ist die Elektromaschine 1 mit der Welle 9 mechanisch gekoppelt.
6 zeigt eine bevorzugte vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Elektromaschinensystems 13 schematisch in einer Seitenansicht. Das Elektromaschinensystem 13 weist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 mit einer ersten Unterbrechung 6 und eine Zusatzvorrichtung 14 auf, welche als Riemenscheibe 12 mit einer Lauffläche 10 für ein Band 11 oder einen Riemen ausgebildet ist. Der Rotor 3 der Elektromaschine 1 weist ebenfalls eine Lauffläche 10 für das Band 11 auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Unterbrechung 6 des Stators 2 über etwa 180° ausgebildet, um eine Kollision mit dem Band 11 im Betrieb des Elektromaschinensystems 13 zu vermeiden. Alternativ könnte die erste Unterbrechung 6 auch einen kleineren Bereich umfassen, wobei in diesem Fall eine Führung des Band 11 mittels Umlenkrollen vorteilhat ist, um eine Kollision von Band 11 und Stator 2 im Betrieb zu vermeiden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Stator 2 im Bereich innerhalb des Bands ein weiteres Statorsegment aufweist. Über das Band 11 sind die Elektromaschine 1 und die Riemenscheibe 12 mechanisch miteinander gekoppelt.
7 zeigt ein Kraftfahrzeug 19 mit einem erfindungsgemäßen Elektromaschinensystem 13 schematisch in einer Seitenansicht. Das Elektromaschinensystem 13 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 1 aufweisen. In diesem Anwendungsbeispiel ist das Elektromaschinensystem 13 im Motorraum eines Frontbereichs des Kraftfahrzeugs 19 angeordnet. Das Elektromaschinensystem 13 ist somit beispielsweise Teil eines hybriden Frontantriebs, wie z. B. bei einem Hybridfahrzeug, Teil eines elektrischen Frontantriebs mit mehreren Elektromaschinen 1 bzw. oder alleiniger Frontantrieb des Kraftfahrzeugs 19 ausgebildet. Alternativ kann das Elektromaschinensystem 13 auch in einem anderen Bereich des Kraftfahrzeugs 19, wie z.B. einem Heckbereich angeordnet sein.
In 8 ist ein erster Abschnitt einer bevorzugten dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 1 schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Der Rotor 3 weist einen inneren Hohlraum 20 auf, in dem ein zumindest teilweise als Rotorrückschluss zum Führen eines magnetischen Flusses der Elektromaschine 1 ausgebildeter Rotorkern 21 angeordnet ist. Der Rotorkern 21 weist eine vierte Unterbrechung 22 mit einem Öffnungswinkel a auf, welcher dem Öffnungswinkel α der ersten Unterbrechung 6 des Stators 2 entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Elektromaschine
2: Stator
2a: Statorrückschluss
3: Rotor
4: Statorinnenseite
5: Rotoraußenseite
6: erste Unterbrechung
7: zweite Unterbrechung
8: Verzahnung
9: Welle
10: Lauffläche
11: Band
12: Riemenscheibe
13: Elektromaschinensystem
14: Zusatzvorrichtung
15: Zahnrad
16: Kühlmantel
17: Nut
18: dritte Unterbrechung
19: Kraftfahrzeug
20: Hohlraum
21: Rotorkern
22: vierte Unterbrechung
α: Öffnungswinkel
D: Drehrichtung
E: Symmetrieebene
R: Rotationsachse
S1: erster Statorabschnitt
S2: zweiter Statorabschnitt
U: Umfangsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10355267 A1 [0007]
EP 2541740 A1 [0007]

Claims

Elektromaschine (1) mit einem Stator (2) und einem relativ zum Stator (2) um eine Rotationsachse (R) rotierbaren Rotor (3), wobei der Stator (2) eine Statorinnenseite (4) mit einer konkaven Hüllfläche und der Rotor (3) eine Rotoraußenseite (5) mit einer konvexen Hüllfläche aufweist, wobei die Statorinnenseite (4) der Rotoraußenseite (5) zugewandt und dieser benachbart angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator(2) in einem sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckenden ersten Statorabschnitt (S1) in Umfangsrichtung (U) des Stators (2) mindestens eine derart ausgebildete erste Unterbrechung (6) aufweist, dass die Statorinnenseite (4) des Stators (2) im ersten Statorabschnitt (S1) die Rotoraußenseite (5) des Rotors (3) in Umfangsrichtung (U) nur teilweise umgibt.
Elektromaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) im ersten Statorabschnitt (S1) in Umfangsrichtung (U) mindestens zwei erste Unterbrechungen (6) aufweist.
Elektromaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) im ersten Statorabschnitt (S1) in Umfangsrichtung (U) um mindestens eine sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckende Symmetrieebene (E) symmetrisch ausgebildet ist.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Statorabschnitt (S1) entlang der Rotationsachse (R) nur über einen Teil des Stators (2) erstreckt, wobei der Stator (2) mindestens einen sich entlang der Rotationsache (R) erstreckenden, zum ersten Statorabschnitt (S1) unterschiedlichen zweiten Statorabschnitt (S2) aufweist, welcher in Umfangsrichtung (U) des Stators (2) mindestens eine derart ausgebildete zweite Unterbrechung (7) aufweist, dass die Statorinnenseite (4) des Stators (2) im zweiten Statorabschnitt (S2) die Rotoraußenseite (5) des Rotors (3) in Umfangsrichtung (U) nur teilweise umgibt.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Statorabschnitt (S1) entlang der Rotationsachse (R) nur über einen Teil des Stators (2) erstreckt, wobei der Stator (2) mindestens einen sich entlang der Rotationsache (R) erstreckenden, zum ersten Statorabschnitt (S1) unterschiedlichen dritten Statorabschnitt aufweist, wobei die Statorinnenseite (4) des Stators (2) im dritten Statorabschnitt die Rotoraußenseite (5) des Rotors (3) in Umfangsrichtung (U) vollständig umgibt.
Elektromaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Statorabschnitt (S1) über den kompletten Stator (2) erstreckt.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoraußenseite (5) im ersten Statorabschnitt (S1) eine Verzahnung (8) oder ein Zahnrad (15) aufweist, welche zum mechanischen Koppeln mit einer externen Welle (9), einem externen Zahnrad (15) oder einer externen Elektromaschine (1) ausgebildet ist.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoraußenseite (5) im ersten Statorabschnitt (S1) als Lauffläche (10) für ein Band (11) und/oder eine Kette zur mechanischen Kopplung mit einer externen Welle (9), einem Kettenrad, einer externen Riemenscheibe (12) oder einer externen Elektromaschine (1) ausgebildet ist.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (1) im ersten Statorabschnitt (S1) nach außen derart geöffnet ist, dass der Rotor (3) im Bereich der ersten Unterbrechung (6) zum mechanischen und/oder elektromagnetischen Koppeln mit mindestens einer weiteren Elektromaschine (1) von außen zugänglich ist.
Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) einen sich entlang der Rotationsachse (R) erstreckenden Hohlraum (20) aufweist, wobei in dem Hohlraum (20) ein Rotorkern (21) angeordnet ist, wobei der Rotor (2) relativ zum Rotorkern (21) um die Rotationsachse (R) rotierbar ist, und wobei der Rotorkern (21) im Bereich des ersten Statorabschnitts (S1) eine vierte Unterbrechung (22) aufweist.
Elektromaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (21) an dem Stator (2) und/oder einem Gehäuse der Elektromaschine (1) drehfest gehalten ist.
Elektromaschine (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vierte Unterbrechung (22) einen Öffnungswinkel (a) aufweist, welcher einem Öffnungswinkel (a) der ersten Unterbrechung (6) in der Größe und/oder Lage entspricht oder zumindest im Wesentlichen entspricht.
Elektromaschine (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) über eine Lagerung an dem Rotorkern (21) drehbar abgestützt ist.
Elektromaschine (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (21) als Hohlkörper ausgebildet ist.
Elektromaschinensystem (13) aufweisend eine erste Elektromaschine (1) und eine mit der ersten Elektromaschine (1) drehmomentübertragend gekoppelte Zusatzvorrichtung (14), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektromaschine (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei die Zusatzvorrichtung (14) als Zahnrad (15), Riemenscheibe (12), Kettenrad oder zweite Elektromaschine (1) ausgebildet ist.